19.03.2021

Wkład informatyków z AGH w odkrycie odderonu


Dr Leszek Grzanka przy detektorze cząstek w CERN

Uczeni pracujący przy eksperymencie TOTEM w CERN (Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych) ogłosili odkrycie odderonu – cząstki elementarnej, której istnienie przewidziano prawie 50 lat temu. W pracach nad rozwojem oprogramowania oraz w badaniach informatycznych wspierających eksperyment uczestniczyli naukowcy i studenci z Wydziału Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji AGH.

Badania przeprowadzone w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w ośrodku naukowym CERN pod Genewą przez naukowców z eksperymentu TOTEM we współpracy z zespołem DØ z amerykańskiego ośrodka Fermilab, gdzie działał akcelerator Tevatron, dowiodły istnienia odderonu – quasi-cząstki składającej się z nieparzystej liczby gluonów. Gluony to bezmasowe cząstki elementarne pośredniczące w oddziaływaniach silnych, które zachodzą między kwarkami. Wiadomo było, że gluony mogą łączyć się w pary i tworzyć związane stany, ale dopiero najnowsze pomiary wykazały, że podobne zjawiska mogą zachodzić w przypadku nieparzystej liczby gluonów. Istnienie odderonu zostało przewidziane przez fizyków teoretyków Besaraba Nicolescu i Leszka Łukaszuka w roku 1973.

TOTEM jest jednym z eksperymentów rejestrujących wyniki zderzeń protonów w akceleratorze LHC. Detektory wykorzystywane w eksperymencie TOTEM służą do badania całkowitych przekrojów czynnych, rozpraszania elastycznego i dysocjacji dyfrakcyjnej oraz zjawiska wyłącznej centralnej produkcji cząstek. CMS jest dużym eksperymentem, którego jednym z najbardziej spektakularnych osiągnięć było odkrycie bozonu Higgsa (tzw. „boskiej cząstki”) w roku 2012. Wykorzystuje on detektor ogólnego przeznaczenia umożliwiający badania fizyki poza Modelem Standardowym, supersymetrii, ciemnej materii i dodatkowych wymiarów.

Realizacja badań przy użyciu detektorów cząstek wymaga implementacji i budowy najnowocześniejszych systemów informatycznych. Zainicjowane przez dr. Leszka Grzankę w roku 2009 staże wakacyjne w ośrodku CERN dla studentów informatyki z AGH zaowocowały nawiązaniem oficjalnej współpracy. W roku 2013 kierowana wówczas przez prof. dr. hab. inż. Krzysztofa Zielińskiego Katedra Informatyki (obecnie Instytut Informatyki) została oficjalnym członkiem eksperymentu TOTEM, a od roku 2018 bierze również udział w eksperymencie CMS. Aktualnie współpracę z CERN koordynują dr hab. inż. Maciej Malawski, prof. AGH oraz dr Leszek Grzanka.

Zespół z AGH zajmuje się nie tylko rozwojem i zapewnianiem jakości oprogramowania do rekonstrukcji danych i symulacji odpowiedzi detektorów, ale także różnymi aspektami przetwarzania równoległego do analizy dużych zbiorów danych. We współpracy z zespołem tworzącym oprogramowania do analizy danych ROOT w CERN-ie rozwijane są metody analizy danych z użyciem nowoczesnych środowisk klastrów i chmur obliczeniowych. Dzięki temu możliwe jest przyspieszenie obliczeń i wykonywanie niektórych analiz w sposób interaktywny, co nie było osiągalne tradycyjnymi metodami.

Co roku w te prace angażuje się kilku studentów w ramach wakacyjnych staży w laboratorium badawczym CERN, odbywanych w grupie kierowanej przez Valentinę Avati. Wielu z nich wiąże współpracę z eksperymentem na dłużej, realizując prace inżynierskie i magisterskie. Efekty ich prac są często włączane we wspólny wysiłek fizyków doświadczalnych z CERN-u i stanowią przyczynek do ciekawych odkryć.

Prof. Maciej Malawski jest liderem zespołu uczestniczącego w eksperymencie TOTEM od 2017 r. Ukończył studia zarówno z informatyki, jak i fizyki. Jego zainteresowania naukowe obejmują programowania i systemy równoległe i rozproszone oraz wykorzystanie infrastruktur obliczeniowych dużej skali dla aplikacji naukowych, w tym fizyki i medycyny.

Dr Leszek Grzanka ukończył studia z informatyki i matematyki, a następnie uzyskał doktorat z fizyki (w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN). W pracach eksperymentu TOTEM uczestniczy od roku 2006, zajmując się rozwojem oprogramowania koniecznego do analizy oraz rekonstrukcji danych rejestrowanych przez detektory umieszczone w pobliżu wiązki akceleratora LHC.